[发明专利]一种涡轮榫接结构高低周复合疲劳裂纹扩展寿命预测方法

摘要

本发明涉及一种涡轮榫接结构高低周复合疲劳裂纹扩展寿命预测方法，步骤：(1)建立考虑裂纹闭合效应的裂纹扩展模型；(2)确定高周载荷应力强度因子模型；(3)确定低周载荷应力强度因子模型；(4)判断当前循环是否为高周载荷，若是，执行(5)，否则执行(6)；(5)计算复合疲劳下裂纹增量，判断下一循环是否为低周疲劳载荷，若是，获取当前循环最大裂尖张开位移，执行(7)，否则执行(8)；(6)计算低周载荷下裂尖张开位移变化量；(7)根据(5)和(6)输入的结果，计算残余裂尖张开位移及裂纹增量；(8)更新裂纹长度，若最大应力强度因子小于断裂韧度，重复步骤(4)到(7)，否则计算完成，得到裂纹扩展寿命。

主权项

1.一种涡轮榫接结构高低周复合疲劳裂纹扩展寿命预测方法，其特征在于实现步骤如下：(1)根据不同应力比下低周疲劳裂纹扩展试验，计算涡轮榫接材料的张开应力强度因子Kop，有效应力强度因子ΔKeff，并确定残余裂尖张开位移δres与张开应力强度因子Kop的关系，并建立考虑裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展寿命模型，为后续计算疲劳载荷下的裂纹扩展增量提供基础；(2)对不同裂纹长度a下涡轮榫接结构施加高低周复合疲劳载荷，然后进行瞬态分析，根据分析结果拟合确定复合疲劳载荷作用下，高周载荷应力强度因子模型ΔKCCF,max＝f(a)，和最大裂尖张开位移ΔδCCF,max与高周最大应力强度因子ΔKCCF,max关系模型；(3)对不同裂纹长度a下涡轮榫接结构施加低周疲劳载荷，然后进行瞬态分析，根据分析结果，拟合确定低周载荷应力强度因子模型KLCF,max＝f(a)，和最大裂尖张开位移δLCF,max与低周最大应力强度因子KLCF,max模型；(4)设定涡轮榫接结构所受复合疲劳载荷的一个循环起始于卸载，终止于加载到最大载荷，在某一榫齿当前循环裂纹长度an下，判断当前复合疲劳载荷下是否为高周疲劳载荷，若是则执行步骤(5)，否则执行步骤(6)；(5)由该榫齿裂纹长度an和步骤(2)确定的高周载荷应力强度因子模型，计算当前循环下的高周复合应力强度因子ΔKCCF,max，计算高低周复合载荷下的裂纹增量Δan，判断下一循环状态是否为低周疲劳载荷，若是低周疲劳载荷，由步骤(2)和(3)确定的最大裂尖张开位移模型，计算当前循环复合疲劳载荷下最大裂尖张开位移δCCF,max，残余裂尖张开位移δCCF,res，张开应力强度因子Kop,CCF，执行步骤(7)，否则执行步骤(8)；(6)由该榫齿裂纹长度an和步骤(3)确定的低周载荷应力强度因子模型，计算低循环应力强度因子KLCF及卸载过程中裂尖张开位移变化量Δδ；(7)根据步骤(5)计算的复合疲劳载荷下最大裂尖张开位移δCCF,max和步骤(6)计算的裂尖张开位移变化量Δδ，计算低周载荷下残余裂尖张开位移δLCF,res＝δCCF,max‑Δδ，根据步骤(1)建立的考虑裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展寿命模型，计算低周载荷下的裂纹增量Δan；(8)更新该榫齿裂纹长度an+1＝an+Δan，判断最大应力强度因子是否小于断裂韧度，若小于断裂韧度，再次重复步骤(4)至(7)；反之若大于等于断裂韧度，计算完成，得到最终裂纹长度，根据初始和最终裂纹长度即可得出高低周复合疲劳裂纹扩展循环寿命N；所述步骤(1)中，残余裂尖张开位移δres与张开应力强度因子Kop的关系为：Kop＝(a1×R+b1)δres+c1×R+d1其中，a1、b1、c1、d1分别为与材料和温度有关的常数，可通过试验数据或数值模拟结果数据拟合获得；R为载荷的应力比；考虑裂纹闭合效应的裂纹扩展寿命模型为：其中，da/dN为裂纹扩展速率；C0，n0为与材料有关常数，可通过试验数据或数值模拟结果拟合获得；ΔKeff为有效应力强度因子幅值，且ΔKeff＝Kmax‑Kop，Kmax为最大应力强度因子；所述步骤(2)中，高周载荷应力强度因子ΔKCCF,max＝KCCF,max‑KLCF,max，其中KCCF,max为榫接结构复合疲劳载荷最大应力强度因子，拟合得到的高周载荷应力强度因子模型ΔKCCF,max＝f(a)形式如下：ΔKCCF,max＝a2a2+b2a+c2其中，a2、b2、c2分别为与材料和温度有关的常数，可通过试验数据或数值模拟结果数据拟合获得，a为裂纹长度；高周载荷下最大裂尖张开位移ΔδCCF,max与高周最大应力强度因子ΔKCCF,max的关系模型为：其中，C1，n1为与材料有关常数，可通过数值模拟结果拟合获得；所述步骤(3)中，拟合得到的低周载荷应力强度因子模型KLCF,max＝f(a)形式如下：KLCF,max＝a3a2+b3a+c3其中，a3、b3、c3分别为与材料和温度有关的常数，可通过试验数据或数值模拟结果数据拟合获得，a为裂纹长度；拟合得到的低周载荷下最大裂尖张开位移δLCF,max与低周最大应力强度因子KLCF,max的关系模型为：其中，C2，n2为与材料有关常数，可通过数值模拟结果拟合获得。